Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления тонкостенных крупногабаритных конической или конически-оживальной формы тканых оболочек

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности к тонкостенным крупногабаритным конической или конически-оживальной формы тканым оболочкам, предназначенным для использования в качестве армирующих элементов изделий из композиционных материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ изготовления тонкостенных крупногабаритных конической или коническо-оживальной формы тканых оболочек, заключающийся в наработке их из нитей утка и систем основных нитей на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке, при котором уточные и основные нити образуют слои, соединенные по толщине оболочки перевязочными нитями, а наработка осуществляется от малого диаметра к большому [пат. RU 2130093, 1998 г].

Использование указанного способа при наработке тонкостенных крупногабаритных конической или коническо-оживальной формы тканых оболочек приводит к искажению профиля их внутренней поверхности, выражающемуся в образовании на ней гофр, следствием чего является невозможность получения требуемого профиля на указанной формы изделиях из композиционных материалов, изготавливаемых на основе тканых оболочек, из-за невозможности расправить гофры при натяжении таких оболочек на формующие оправки, применяемые при термохимической обработке.

Задачей изобретения является обеспечение требуемого профиля внутренней поверхности тонкостенных крупногабаритных конической и коническо-оживальной формы изделий из композиционных материалов, изготовленных на основе тканых оболочек, за счет обеспечения требуемого профиля тканых оболочек, без снижения при этом физико-химических характеристик композиционных материалов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления тонкостенных крупногабаритных конической или коническо-оживальной формы тканых оболочек, заключающемся в наработке их из нитей утка и систем основных нитей на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке, при котором уточные и основные нити образуют слои, соединенные по толщине оболочки перевязочными нитями, а наработка осуществляется от малого диаметра к большому, в соответствии с заявляемым техническим решением, по мере наработки тканой оболочки по ее высоте производят аппретирование очередного наработанного участка 25÷35%-ым раствором полимерного связующего холодного отверждения в легко испаряющемся при нормальных условиях растворителе, причем подачу раствора к волокнам наружной поверхности наработанного участка тканой оболочки осуществляют малыми порциями, например, путем легкого периодического нажатия на тампон из губчатого эластичного материала типа поролона, запитанный указанным раствором; при этом расход раствора на аппретирование составляет 0,08÷0,15 г/см³ тканой оболочки.

Осуществление - по мере наработки тканой оболочки по ее высоте -пропитки очередного наработанного участка раствором полимерного связующего холодного отверждения создает предпосылки для сохранения устойчивости нарабатываемой оболочки благодаря исключению сползания структуры под воздействием нитей утка в сторону ее меньшего диаметра. Использование в качестве пропиточного состава 25÷35%-го раствора полимерного связующего холодного отверждения в легко испаряющемся при нормальных условиях растворителе, (имеющего условную вязкость 42-48 секунд по вискозиметру ВЗ-2) обеспечивает, с одной стороны, хорошую пропитку наработанного участка оболочки на всю ее толщину, с другой стороны, обеспечивает сравнительно быстрый переход полимерного связующего в твердое состояние, что позволяет зафиксировать нити утка в заданном программой наработки положении.

Использование для аппретирования раствора полимерного связующего с низкой вязкостью и ограничение его количества значением 0,08±0,15 г/см³ тканой оболочки обеспечивает низкий нанос связующего на волокна и низкое содержание образующегося при его пиролизе кокса. Как результат, межволоконные и межслоевые поры тканой оболочки остаются незаполненными ни полимерной, ни коксоуглеродной матрицей, что приводит к их наиболее полному качественному заполнению полимерной или углеродной матрицей при изготовлении на основе тканой оболочки изделий из композиционных материалов.

Снижение концентрации полимерного связующего ниже 25% (вязкости ниже 42 секунд) нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению расхода растворителя и удлинению времени выдержки для его испарения из пропитанного раствором участка тканой оболочки, а также к недостаточному скреплению между собой волокон, следствием чего является снижение устойчивости.

Увеличение концентрации полимерного связующего выше 35% (условной вязкости по вискозиметру ВЗ-2 выше 48 секунд) приводит к затруднению пропитки участка оболочки на всю ее толщину, следствием чего является снижение устойчивости структуры оболочки с образованием на внутренней поверхности оболочки складок (установлено экспериментально). Кроме того, при высокой вязкости пропиточного раствора и удельном расходе раствора, превышающим 0,12 г/см³ происходит заполнение полимерной матрицей пор прежде всего со стороны наружной поверхности тканой оболочки, что затрудняет формирование на ее основе изделий из композиционных материалов и приводит к снижению их физико-химических характеристик (плотности и содержания матрицы).

Осуществление порционной, а точнее: малыми порциями, подачи раствора полимерного связующего к волокнам наружной поверхности наработанного участка тканой оболочки, например, путем легкого периодического нажатия на тампон из губчатого эластичного материала типа поролона, запитанный указанным выше раствором, позволяет исключить его (раствора) попадание на нижерасположенные волокна и тем самым избежать их склеивания между собой, а значит, позволит исключить нарушение заданной структуры тканой оболочки. В то же время, в совокупности с указанным удельным расходом раствора и его низкой вязкостью позволяет обеспечить соединение волокон нарабатываемых участков тканой оболочки по всей ее толщине за счет их склейки между собой в местах касания.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать тонкостенной тканой оболочке конической или коническо-оживальной формы заданную программой наработки структуру и обеспечить ее плотное прилегание к формообразующей оправке, не заполняя при этом поры тканевой оболочки полимерной матрицей.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: обеспечивается требуемый профиль внутренней поверхности тонкостенных крупногабаритных конической или коническо-оживальной формы изделий из композиционных материалов, изготовленных на основе тканых оболочек, за счет получения требуемого профиля тканых оболочек, без снижения при этом физико-химических характеристик композиционных материалов.

Способ изготовления тонкостенных конической или коническо-оживальной формы тканых оболочек заключается в наработке их из нитей утка и систем основных нитей на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке. В этом способе уточные и основные нити образуют слои, соединенные по толщине оболочки перевязочными нитями, а наработка осуществляется от малого диаметра к большому. При этом по мере наработки тканой оболочки по ее высоте производят аппретирование очередного наработанного участка 25÷35%-ым раствором полимерного связующего холодного отверждения в легко испаряющемся при нормальных условиях растворителе (имеющем условную вязкость 42÷48 секунд по вискозиметру ВЗ-2). Причем подачу раствора к волокнам наружной поверхности наработанного участка тканой оболочки осуществляют малыми порциями, например, путем легкого периодического нажатия на тампон из губчатого эластичного материала типа поролона, запитанный указанным раствором; при этом расход раствора на аппретирование составляет 0,08÷0,15 г/см³ тканой оболочки.

Ниже приведены конкретные примеры изготовления указанного типа тканых оболочек.

Примеры 1 и 1а.

Изготовили тканую оболочку конической формы со следующими размерами - верхний диаметр ~ ∅550 мм, нижний диаметр ~∅900 мм, длина оболочки ~ 700 мм. Толщина оболочки составила ~ 5 мм.

Наработку тканевой оболочки произвели на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке в соответствии со способом, приведенным в пат. РФ №2130093. Наработку осуществляли от торца малого диаметра к большому.

Для наработки использовали углеродные нити, а именно: уточные нити УКН/5000 ГОСТ 28008 линейной плотностью 1640 текс, наполнительные нити основы и перевязки УРАЛ-Н22 ТУ BY 400031289.140-1200 текс и 205 текс соответственно.

По мере наработки тканой оболочки по ее высоте производили аппретирование очередного участка (через каждые 50-60 мм высоты) 35%-ым (пример 1) и 30%-ым (пример 1а) раствором эпоксидного связующего на основе смолы марки ЭД-20 ГОСТ 2768 и отвердителя ПЭПА ТУ 2413-357-00203447 в ацетоне, взятых в соотношении 5:1:17,1 (пример 1) и 5:1:20 (пример 1а) соответственно. Раствор имел условную вязкость ~ 42 секунды (пример 1) и ~ 48 секунд (пример 1а) по вискозиметру ВЗ-2.

При аппретировании подачу раствора к волокнам наружной поверхности наработанного участка тканой оболочки осуществили малыми порциями. В конкретном случае это произвели следующим образом. Запитали тампон из поролона раствором указанного полимера. Избытку раствора дали стечь. Затем, легко нажимая на тампон, нанесли раствор на волокна наружной поверхности наработанного участка тканой оболочки, двигаясь вокруг нее. Повторяя круговые движения вокруг тканой оболочки, ввели в аппретируемый участок требуемое количество раствора, исходя из удельного расхода ~ 0,1 г/см³. После этого продолжили наработку очередного участка тканой оболочки. В этот период, а точнее: через 2-3 часа растворитель испарился из раствора, а эпоксидное связующее затвердело, склеив волокна в местах касания. После наработки очередного участка произвели его аппретирование так же как описано выше.

После наработки тканевой оболочки ее сняли с формообразующей оправки. В результате визуального осмотра установили, что ее внутренний профиль не имеет складок.

Тканую заготовку использовали для получения изделия из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ). Для этого ее посадили с помощью соответствующего приспособления на формующую оправку из графита. Затем тканую оболочку насытили пироуглеродом из газовой фазы термоградиентным методом.

Осмотр заготовок из УУКМ после снятия их с формующей графитовой оправки показал, что их внутренний профиль не имеет складок и углублений и полностью соответствует профилю оправки.

Вырезав из припуска заготовок образцы, установили, что плотность и открытая пористость УУКМ соответствует требованиям технических условий и конструкторской документации. Примеры 2 и 2а.

Изготовили тканые оболочки коническо-оживальной формы со следующими размерами - верхний диаметр ~∅750 мм, нижний диаметр ~∅930 мм, длина оболочек ~300 мм. Толщина оболочек составила - 7 мм. Их изготовление произвели аналогично примерам 1 и 1а с тем отличием, что вместо эпоксидного связующего использовали 25% (пример 2) и 35% (пример 2а) раствор фенол-формальдегидного связующего на основе жидкого бакелита БЖ-3, соляной кислоты (в качестве отвердителя) в спирто-ацетоновой смеси. Полученные тканые оболочки использовали для изготовления углепластиковых заготовок.

Осмотр углепластиковых заготовок после снятия их с формообразующей металлической оправки показал, что их внутренний профиль не имеет складок и углублений и полностью соответствует профилю оправки. Вырезав из припуска заготовок образцы, установили, что плотность и открытая пористость углепластика соответствуют требованиям технических условий и конструкторской документации. Примеры 3, 3а, 3б и 3в.

Изготовили тканые оболочки аналогично примеру 1 (примеры 3 и 3а), а также примеру 2 (примеры 3б и 3в) с тем отличием, что при аппретировании использовали 20 и 40%-ые растворы, соответствующих полимерных связующих (эпоксидного и фенолформальдегидного соответственно).

Тканевые оболочки использовали по тому же назначению, что указаны в соответствующих примерах (1 и 2).

В результате осмотра заготовок после снятия их с формообразующих оправок установили, что все без исключения заготовки имеют складки на их внутренней поверхности.

Что касается плотности и открытой пористости материала образцов, то образцы из УУКМ, а также образцы из углепластика, вырезанные из заготовки на основе тканой оболочки, при наработке которой в качестве аппрета применяли 20%-ый раствор жидкого бакелита в спирто-ацетоновой смеси соответствовали требованиям технических условий и конструкторской документации.

Плотность и открытая пористость углепластиковых образцов из заготовки на основе тканой оболочки, при наработке которой в качестве аппрета использовали 40%-ный раствор жидкого бакелита в спирто-ацетоновой смеси, была соответственно ниже и выше требований технических условий и конструкторской документации, т.е. не соответствовала им.